半导体器件原理-第二章.2

PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。PN结二极管的符号为：P区N区+本节主要讨论：1、中性区与耗尽区边界处的少子的浓度与外加电压的关系。这将被用做求解微分方程的边界条件。2、PN结耗尽区以外的两侧中性区内的少子浓度分布。3、PN结的正向电流。§2-2PN结在正向电压下的特性面积为Vbi1、正向电压下载流子的运动情况外加正向电压V后，PN结势垒高度由降为,xd与均减小，使扩散电流大于漂移电流，形成净的正向电流。biqVVVqbimax由于正向电流的来源是N区电子和P区空穴，他们都是多子，所以正向电流很大。PNx0平衡时外加正向电压时外加电场内建电场面积为Vbi-VVJrdndpJJJdpJdnJrJP区N区pxnx0正向电流密度由三部分组成：1、空穴扩散电流密度：Jdp(推导在N区中进行）。2、电子扩散电流密度：Jdn(推导在P区中进行）。3、势垒区复合电流密度：Jr(推导在势垒区中进行）。本小节所得的结果不仅可作为求解方程时所需的边界条件，而且在其他章节也有很重要的用途。已知在平衡PN结耗尽区两侧边界上的空穴浓度有如下关系：kTqVppbiponoexpnnonnoppppppoppoppppVVVbibikTqVkTqVpkTVVqppbipbipnexpexp)(exp当外加电压V后：从而得：2、中性区与耗尽区边界的少子浓度与外加电压的关系以上两式说明：当PN结有外加电压V时，在小注入条件下，中性区与耗尽区边界处的少子浓度等于平衡时的少子浓度乘以exp(qV/kT)。上式对正、反向电压均适用。在小注入条件下，，因而在N型区与耗尽区的边界处，即在xn处有：kTqVnnpopexpkTqVpkTqVkTqVppnobiponexpexpexppoppoppppp,同理，在-xp处有：假设中性区的长度远大于少子扩散长度，则可得少子浓度的边界条件：或对于非平衡少子，其边界条件为：noxnnonnppkTqVpxp,exppoxppoppnnkTqVnxn,exp0,1expxnnonnpkTqVpxp0,1expxppoppnkTqVnxn3、正向扩散电流求扩散电流的步骤：以突变PN结的为例，先利用扩散方程并结合边界条件求出N区内的非平衡少子分布，再将其代入空穴电流密度方程中。xpndpJPN求Jdn求Jdp将R写作；直流情况下，；又因，故可得：RxpDtpnpn220tpnpnpR022xpno已知N区中的空穴扩散方程为：022pnnppdxpdD222pnnLpdxpd上式中，，称为空穴的扩散长度，其典型值为10μm。扩散方程的通解为：pppDLppnLxBLxAxpexpexp)(0,1exp)(xnnonnpkTqVpxp假设N区足够长(Lp)，则的边界条件为：)(,exp1exp)(npnnonxxLxxkTqVpxp利用此边界条件可解出系数A、B，于是可得N区内的非平衡少子空穴的分布为：)(xpnpnppopxxLxxkTqVnxn,exp1exp正向时PN结中的少子分布图：P区内的非平衡少子电子也有类似的分布：kTqVnxnpoppexpkTqVpxpnonnexpponnopnxpxxP区N区假设中性区内无电场，故可略去空穴电流密度方程中的漂移分量，将上面求得的代入后，得：1expkTqVLpqDdxpdqDJpnopxxnpdpn1expkTqVLnqDJnpondn同理可得P区内的电子扩散电流为：)(xpn1exp1expkTqVJkTqVpLDnLDqJJJonoppponndndpd总的PN结扩散电流密度Jd为：当时，，0V0dJqkTVkTqVJJodexp当(室温时约为26mV)时，对Jo的讨论：上式中：AnnDppiponnnoppoNLDNLDqnnLDpLDqJ2与材料种类的关系：EG↑，则ni↓，Jo↓。与掺杂浓度的关系：ND、NA↑，则pno、npo↓，Jo↓（主要取决于低掺杂一侧的掺杂浓度）。与温度的关系：T↑，则ni↑，Jo↑。4、势垒区复合电流npxxrdxRqJ上式中净复合率R可近似表为：)2(2iinpnnnpR已知在中性区里有：)()(区内区内NpPnRpn当外加电压V时：2ioonxpxnkTqVnxpxniexp2在势垒区中，已知平衡时有：为简化计算，可假设在势垒区中n与p相等，且不随x而变化。即：kTqVnpni2exp可见：当V0时，npni2，R0，发生净复合。当V0时，npni2，R0，发生净产生。当V=0时：当VkT/q时：,12exp21expkTqVkTqVnRi12exp1exp2kTqVkTqVxqnxRqRdxqJdixxdrnpkTqVxqnJdir2exp20rJPN结正向电流为：当V比较小时，以Jr为主；当V比较大时，以Jd为主。EG越大，则过渡电压值就越高。对于硅PN结：当V0.3V时，以Jr为主；当V0.45V时，以Jd为主。kTqVxqnkTqVNLnqDAIdiDpip2exp2exp2rdJJAI5、正向伏安特性与导通电压本小节主要内容：对扩散电流Jd与复合电流Jr的大小进行比较。并介绍PN结导通电压的概念。kTqVENxNNLkTqVNxnLJJGDdVCpDdiprd2exp22exp2以P+N结为例，当VkT/q时：在一般常用的正向电压和温度范围，PN结的正向电流以扩散电流Jd为主。这时正向电流可表示为：kTqVIkTqVAJAJIoodexp1exp在lnI～V特性曲线中，当以Jr为主时：VkTqxAqnIdi22lnlnVkTqIIolnln当以Jd为主时：(斜率=q/2kT)(斜率=q/kT)lnIVGeSiGaAs斜率=q/2kT，大注入斜率=q/kT，以Jd为主斜率=q/2kT，以Jr为主Io=Ajo越大，VF就越小。EG↑，则Io↓，VF↑。NA、ND↑，则Io↓，VF↑（取决于低掺杂一侧）。T↑，则Io↑，VF↓。对VF影响最大的是EG。GePN结的VF约为0.25V，SiPN结的VF约为0.7V。PN结正向伏安特性曲线图：通常将正向电流达到某一规定值（例如几百微安到几毫安）时的正向电压称为正向导通电压，记作VF。V(V)I(mA)0.20.40.624600.8